JPH0453381B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は化学物質に選択的に感応する電極から
なる化学物質感応センサーと液絡式の比較電極を
使用して被測定液中の化学物質量を測定する装置
に関するものである。より詳しくはセンサーと比
較電極を一本の細管内に収容した超小型の化学物
質測定用装置に関するものである。 （従来の技術とその問題点） 近年生理学、医学の分野で血液に代表される体
液中の物質、例えば水素、ナトリウム、カリウ
ム、カルシウム、塩素等のイオン、酸素、炭酸ガ
ス等のガス、グルコース、ラクトース等の糖類、
ホルモン、酵素、抗体等の化学物質の濃度測定が
頻繁に行われるようになつた。かかる化学物質の
濃度測定には従来より各種の電極、例えばガラス
電極、coatedーwire電極などが使用されている。
中でもガラス電極はガラス膜の組成を変えたり、
ガラス膜の上に化学感応性膜を被覆することによ
り種々の化学物質に選択的に感応する電極にし得
るために広く用いられている。 また最近超小型のイオンセンサとして特開昭51
−139289号や同54−66194号などに半導体の電界
効果を利用したイオンセンサが提案された。この
イオンセンサはISFET（Ion Sensitive Field
Effect Transistor）と呼ばれている。 該ISFETは超小型化が可能なため生体組織内
に挿入して生体内の化学物質量を測定する生体モ
ニタリング用センサとして注目されている。 このイオンセンサで被検液のイオン濃度を測定
する場合には、通常第１図に示す回路が用いられ
る。すなわちISFET１は液絡式比較電極４とと
もに容器６内の被測定液８に浸漬され、ISFET
のドレイン２には電圧源Vdの正電位を接続しソ
ース３には定電流回路５を接続してソース・フオ
ロア回路として作動させる。そしてISFETのゲ
ート絶縁膜７と被測定液８間の界面電位の変化に
よるゲート絶縁膜下のチヤンネルの電導度の変化
をソース電位Vsの変化に変換して取り出す。こ
のソース電位Vsはイオン濃度の対数と直線関係
にあるため、このVsを測定することにより被検
液のイオン濃度を測定することができる。 上記ISFETあるいは従来のガラス電極や
coated−wire電極などの化学物質測定用電極を
使用して被測定液の化学物質量の測定を行うため
には被測定液の組成にかかわらず液との間で一定
の電位を有する比較電極が是非とも必要である。
このため比較電極は密閉チユーブの先端部に設け
た液絡部と呼ばれる狭い空間を介して被測定液と
チユーブ内に収容した一定の組成の内部液が接触
する構造となつている。チユーブ内の内部液には
Ag−AgCl電極などの内部電極が浸漬されてい
る。 特に生体モニタリング用のISFETなどのオー
トクレーブ減菌可能な小型のイオンセンサととも
に一本の細管内に収容されて用いられる比較電極
は超小型で、かつ化学物質測定用電極とともにオ
ートクレーブ減菌できるものでなければならな
い。本願出願人はISFETなどの小型の化学物質
測定用電極とともに用いる比較電極として内部溶
液を高分子でゲル化した比較電極を特開昭58−
204363号に提案した。 かかる比較電極は一本のチユーブと、該チユー
ブの内部に収容された２〜10wt％のポリビニル
アルコールと0.1〜2wt％のチタン化合物でゲル化
された内部液と、該内部液と浸漬した内部電極
と、該チユーブの先端部に設けたチユーブの内部
と外部を連通する液絡部で構成されている。しか
し、その後の検討によつて、上記特定の高分子ゲ
ルを内部溶液保持体として用いた比較電極にも依
然として以下に示す種々の問題点が残されている
ことが判明した。 (1) 保存中もしくは高圧水蒸気滅菌中に高分子ゲ
ル中に含まれる気泡が集合して大きな気泡を生
じて、チユーブ内を閉塞するため内部電極と外
部の被測定液の間の液絡が切断される。 (2) 高分子ゲルを内部液保持体として用いると液
間電位差が大きく、そのために比較電極の電位
が被検液の成分に応じて変動する。 (3) 比較電極内に高分子と架橋剤を入れてゲル化
させるために、比較電極の製作が煩雑である。 （問題点を解決するための手段） したがつて本発明の目的は、特定の化学物質に
選択的に感応する電極からなる化学物質感応セン
サーと液絡式比較電極を一本のチユーブ内に収容
した高圧水蒸気滅菌可能な化学物質測定用装置を
提供することにある。 本発明の被測定液中の化学物質量を測定する化
学物質測定用装置は、被測定液中の化学物質量を
測定する化学物質測定用装置において、該化学物
質測定用装置は、独立した少くとも２つの空胴を
有する管状体と、該管状体の一つの空胴内に、該
管状体の端部から化学物質測定領域を突出させて
収容した特定の化学物質に選択的に感応する電極
と、該電極に一端を接続して他端が空胴に沿つて
延在され、そして管状体の他端開口でコネクタに
連結されたリード線と、少くとも該電極のリード
線接続部に充填されて空胴を閉塞する電気絶縁樹
脂からなる化学物質感応センサーと、該管状体の
他の一つの空胴の先端部に収容された細孔容積が
0.2c.c.／ｇ以上で、かつ少くとも表面が親水性を
有する多孔性の糸状体と、一端が該糸状体と接触
するように該空胴内に収容され、そして空胴に沿
つて延在させて空胴の他端開口でコネクタに連結
された銀−塩化銀線と、該空胴内の少くとも先端
部に充填されて銀−塩化銀線と糸状体を接触固定
するとともに該空胴を閉塞する電気絶縁樹脂と、
多孔性の糸状体に吸引保持された内部液からなる
液絡式の比較電極で構成したことを特徴とする化
学物質測定用装置である。 独立した少くとも２つの空胴を有する管状体と
しては耐水性を有する材料が用いられる。通常ナ
イロン６、ナイロン１１、ナイロン１２等のポリ
アミドやポリエステル、ポリプロピレン、ポリ塩
化ビニル樹脂等やシリコン系ゴム、ウレタン系ゴ
ム、ポリイソプレン系ゴム等のゴム性樹脂等が用
いられる。 表面が親水性を有する多孔性の糸状体として
は、ポリビニルアルコール、エチレンビニルアル
コール共重合体、ポリヒドロキシエチルメタクリ
レートおよびこれら各高分子をグルタルアルデヒ
ド、ホルムアルデヒド等で反応させたもの、ある
いはポリアセチルセルロース、ポリアクリロニト
リル等の親水性高分子よりなる糸状体、あるいは
ポリプロピレン、ポリテトラフロロエチレン、ポ
リエチレン、ポリスチレン、ポリスルホン等の疎
水性の高分子からなる多孔性の糸状体の表面を親
水化処理したものを用いることができる。親水化
処理としてはスルホン化等の化学処理及びエタノ
ール、界面活性剤等の処理があげられる。疎水性
高分子からなる多孔性の糸状体の親水化は、その
細孔内に毛細管現象によつて水が自然に吸引され
る程度に行う必要がある。また上記多孔性の糸状
体は内部溶液を吸引保持するために細孔容積が
0.2c.c.／ｇ以上の多孔性でなければならない。細
孔容積が0.2c.c.／ｇ未満では、内部溶液の保持能
力が不十分で比較電極の内部抵抗が大きくなりす
ぎるので好ましくない。 本発明でいう細孔容積とは水銀圧入法ポロシメ
ータによつて測定される全細孔容積（c.c.）を試料
重量（ｇ）で徐した値である。糸状体はモノフイ
ラメント、マルチフイラメント、ステープルフア
イバーを単独あるいは束状または撚糸状で用いて
も中空繊維状で用いてもよい。上記糸状体には平
均径0.01〜10μの微細孔が横断面にほぼ均一に配
列しているもの、また0.01〜10μの範囲で繊維の
表面から内部またはその逆方向に段階的または連
続的に径の大きさに変化があるもの、さらに表面
に極めて薄いスキン層をもつものでもよい。微細
孔の細孔径が10μ以上になると多孔性の糸状体の
機械的強度が低下すると共に、内部溶液中の塩素
イオンの拡散が早くなり、被測定溶液中の塩素イ
オン濃度が変化したとき比較電極の電位がドリフ
トしやすくなる。また細孔径が0.01μ以下となる
と逆に内部溶液中のイオンの拡散が遅くなり過ぎ
比較電極の内部抵抗が大きくなるために誘導ノイ
ズが大きくなる。比較電極を小型化するためには
糸状体の外径は小さい程好ましい。中空繊維とし
ては通常外径50〜3000μ、膜厚10〜500μの大きさ
のものが用いられる。 上記多孔性の糸状体は通常の紡糸技術によつて
製造することができる。例えばポリビニルアルコ
ール系の多孔性中空繊維は特開昭52−21420号に
記載の方法により製造することができる。またポ
リスルホンの多孔性中空繊維は特開昭58−91822
号に記載の方法により製造することができる。こ
れらの方法によつて十分な耐熱性と機械的強度を
有し、高圧蒸気滅菌時の過マンガン酸カリ還元性
物質の溶出量が許容量以下である多孔性の中空繊
維を連続的に製造することができる。 上記糸状体は管状体に設けられた空胴の先端開
口内に収容される。その際糸状体の先端が管状体
の先端と略同一となるように空胴内に収容するこ
とが好ましい。空胴内に挿入される糸状体の長さ
が短いと糸状体に吸引保持した内部液が被検液中
に拡散流出するため、内部液が拡散流出しない程
度の長さとする必要がある。この長さは糸状体の
形状により適宜決定できる。糸状体として直径
0.3mmの糸状体を用いる場合には空胴内への挿入
長さは通常1.5cm以上とすることが好ましい。糸
状体として中空繊維を用いる場合には中空繊維の
先端開口あるいは中空部の全領域の多孔性のモノ
フイラメントなどを挿入して中空部を閉塞するこ
とが好ましい。内径が50μ以下の中空繊維を用い
る場合には銀一塩化銀線の先端と液絡口の距離を
２cm以上にしておけば、中空部を閉塞しなくとも
内部液の塩素イオン濃度の急激な変化、すなわち
銀−塩化銀電極電位の急激な変化を抑えることが
できる。 空胴内に収容される銀−塩化銀線はその先端が
上記糸状体に接触していなければならない。この
銀−塩化銀線は空胴に沿つて延在させ空胴の他端
開口でコネクタに連結されている。短い銀−塩化
銀線を用いる場合には、銀−塩化銀線を糸状体に
接触させ、その端部にリード線を接続して、リー
ド線を空胴に沿つて延在させて空胴の他端開口で
コネクタに連結してもよい。 銀−塩化銀線と糸状体を接触固定するとともに
該空胴の少くとも先端部を閉塞する電気絶縁樹脂
としてはエポキシ系あるいはシリコン系樹脂をそ
れぞれ単独で用いても、また両者を併用して用い
てもよい。 糸状体に吸引保持される内部液は通常のPH測定
には飽和KCl溶液が用いられる場合が多いが、医
学分野、特に血液などの体液の測定にはこれに適
した内部液組成を選ばなければならない。内部液
の条件としては、次のようなことが挙げられる。 (1) 液間電位差を生じないこと。 液間電位差は、被検液と糸状体が接触する液
絡部を移動する正負イオンの易動度が等しいほ
ど小さくなる。この条件を実現するには、内部
液の正負イオンに易動度の等しいものを用い、
しかもその濃度を試料液よりも大きくした方が
よい。正負イオンの易動度が等しい電解質とし
ては、KCl、NH₄Clなどがある。 (2) イオンセンサが応答するイオンを含まないこ
と。 糸状体から流出した内部液によつて被検液の
被測定イオン活量が変化すれば、当然誤差を生
じることになる。 (3) 被検液と反応したり、生体に対する為害作用
が少ないこと。 血液中の測定では、K⁺イオンが流出するこ
とは生体に害となる。血液よりも内部液が濃厚
であると、浸透圧の違いにより血球の収縮や、
蛋白の凝固が起こる。一方血液よりも内部液が
希薄であると血球が膨張するなどの問題があ
る。 上記内部液は例えば胃内のPH測定では、PH変化
が大きく、精度はそれほど要求されないため、液
間電位による誤差を多少許容することにし、
0.5M KCl液が用いられる。 一方、血液中のPH測定ではK⁺イオンの流出を
防ぐ必要があることと、血液の浸透圧と等しくす
るために、その成分に近い、生理食塩水（0.15M
NaCl液）が用いられる。Na⁺とCl^-の易動度には
違いはあるが、血液の塩濃度はほぼ0.15M NaCl
に近いため、液間電位差は生じないことになる。 上記比較電極は使用前に先端を内部液に侵漬し
て糸状体に内部液を吸引保持させた後、使用に供
せられる。この場合内部液の糸状体への吸引は、
通常細孔内への毛細管現象による自然吸引によつ
て達成される。 次に本発明の化学物質測定用装置を図面にて説
明する。 第２図は本発明の化学物質測定用装置の断面図
である。第２図では化学物質感応する電極として
ISFETを用いた例を示している。この装置では
独立した少くとも２つの空胴を有する管状体、例
えばダブルルーメンカテーテル１０を用いた例で
ある。カテーテルの一方の空胴の先端にISFET
１１のゲート部をカテーテルより突出させて、そ
の電極部を空胴の先端開口を閉塞する耐水性の電
気絶縁性樹脂１２に埋没固定している。該
ISFETの電極部に接続されたリード線１３は空
胴に沿つて延在され、該カテーテルの他端開口で
コネクタ１４に連結されている。一方カテーテル
の他の空胴の先端部には多孔性の中空繊維１５が
収容されている。この中空繊維の空間内には銀−
塩化銀線１６の一端部が挿入されている。該銀−
塩化銀線は空胴に沿つて延在されカテーテル他端
でコネクタ１４に連結されている。この図におい
ては多孔性の中空繊維を用い、かつ中空繊維の先
端開口から、中空繊維の中空部に挿入された銀−
塩化銀線の先端までの長さＬを十分長くとつてい
るため中空繊維の先端開口は閉塞していない。ま
たカテーテル内の空胴には電気絶縁樹脂１７が充
填されている。３ケ以上の独立した空胴を有する
管状体を用い、各空胴にそれぞれ異なる化学物質
に感応するISFETの一つをそれぞれ収容すると
一つの装置で複数の化学物質を測定する装置を提
供することができる。１８はISFETの交流誘導
障害を除去して正確な測定を行うために被測定液
とソースフオロアー回路の間を連結するガード電
極である。ISFETを用いる場合、主として室内
交流配線や、床を洩れる交流が接地線経由でセン
サ回路に入るなどの交流誘導障害により、ソース
電位の値が変化し正確なイオン濃度の測定が困難
となることがある。特にインピーダンスの高い、
例えば100KΩ以上の小型の液絡式比較電極を用
いたり、ドレン電流が30μA以下の場合には上記
交流誘導障害が大きく測定は困難である。 上記ガイド電極をアイソレーシヨン回路に接続
すると生体に流れる交流を主とする外部信号がセ
ンサ回路に流れないため常に正確な測定を行うこ
とができる。このガード電極としては白金、銀な
どの導電性金属線が用いられ、ISFETとともに
空胴内に収容されている。ガード電極に接続され
たリード線は空胴に沿つて延在され、カテーテル
の他端でコネクタに連結されている。 （発明の効果） 上記の比較電極においては多孔性の糸状体の細
孔内に内部溶液（塩素イオン含有電解質溶液）が
保持され、多孔性の糸状体が銀−塩化銀電極に密
着し、かつ液絡口まで延在するために、超小型で
あつても銀−塩化銀電極と被測定液の液絡が切れ
ることはあり得ない。また銀−塩化銀線と糸状体
の接触部に形成された空間に気泡が混入したとし
ても細孔内に内部液を保持する糸状体が一端で銀
−塩化銀線と密着し、他端で液絡口で被測定液に
接触しているので、銀−塩化銀電極と被測定液の
間の導通は常に保持される。多孔性の糸状体の細
孔内には毛細管現象によつて内部液が保持されて
いるので導通の切断が極めておこりにくい。また
仮に細孔内に複数の小さな気泡が発生しても、各
気泡は細孔壁によつて移動を禁止されているので
銀−塩化銀電極と被測定液の間の導通をしや断す
るほどの大きな気泡には成長しない。上記比較電
極は予め製造された多孔性の糸状体を内部溶液保
持体として用いるので、化学物質測定用のセンサ
ーとともに管状体内に収容される比較電極の組立
てが極めて簡単である。また多孔性糸は紡糸技術
によつて大量生産されるので、均一な性能のもの
が簡単に得られる。さらに多孔性の糸状体を内部
液保持体として用いると、理由は不明であるが、
高分子ゲルを用いた場合に比して、液間電位差が
小さくそのために比較電極としての誤差が小さく
なることも判明した。特に親水性高分子のゾルや
ゲルを内部液保持体として使用すると、特にホウ
酸塩を含む溶液中（例えば9.18PH緩衝液）で5mV
以上の異常電位を生じるが、多孔性の糸状体を内
部液保持体として用いるとこの異常電圧は3mV
以下となる。 （実施例） 実施例 １ まず多孔性のPVA中空繊維を特開昭52−21420
号の方法で製造した。 得られたポリビニルアルコール中空繊維の外径
は0.3mm、内径は0.05mmであつた。この中空繊維
の断面を電子顕微鏡で観察したところ、0.02〜2μ
の微細孔が横断面に均一に配列されていた。水銀
ポロシメーターによつて求めた細孔容積は0.23
c.c.／ｇであつた。 該中空糸を30mmの長さに切断し、直径0.15mmの
銀−塩化銀線と接着し、第３図のような比較電極
を組み立てた。第３図において２１は上記ポリビ
ニルアルコール多孔性中空糸、２２は銀−塩化銀
線で、２３は両者を接着するエポキシ樹脂であ
る。一方ISFETを用いた第４図のようなPHセン
サを次のようにして組立てた。リード線２６をボ
ンデイングしたISFET２４とガード電極２５と
を内径0.5mm、外径0.6mmのナイロンチユーブ２８
中に引き込み、絶縁樹脂２７で固定した。 次に内径0.3mmと0.5mmの２つの空胴を有するシ
リコーンゴムダブルルーメンに第３図の比較電極
と第４図のPHセンサを埋め込み、第５図に示した
複合型PHセンサを製作した。第５図において２９
がシリコーンゴムダブルルーメン、３０はコネク
ターである。該複合PHセンサの先端部を生理食塩
水中に浸漬し、毛細管現象によつて生理食塩水を
中空糸内に自然吸引させた。 このようにして製作された複合型PHセンサを用
いて、次の８種類の溶液のPHを37℃で測定した。 0.050M フタル酸水素カリ 0.050M フ
タル酸水素カリ、0.154M NaCl、0.025M
KH₂PO₄，0.025M Na₂HPO₄、0.025M KH₂
PO₄，0.025M Na₂HPO₄，0.154M NaCl、
0.009M KH₂PO₄，0.030M Na₂HPO₄、
0.009M KH₂PO₄，0.030M Na₂HPO₄，0.154M
NaCl、0.010M Na₂B₄O₇、0.010M Na₂B₄
O₇，0.154M NaCl。 結果を表１に示した。表１から明らかなように
NaClを含む溶液（，，，）に関しては、
本発明のPH電極と市販のガラス電極は同一のPH値
を表示する。NaClを含まない溶液（，，，
）においては、本発明のPH電極は市販のガラス
電極に比べ0.05PH程度高いPH値を表示する。PH電
極を高圧水蒸気滅菌しても比較電極内部液の導通
の切断は見られなかつた。また、このようにして
得られたPH電極を室温下10分間放置し、比較電極
中空繊維の内部空間に故意に気泡を混入させて
も、比較電極の性能・安定性に変化は認められな
かつた。このPH電極10本の先端部10cmを水300ml
と共に封管内に納め、121℃で30分間加熱した後、
内溶液を取り出し溶出物試験、無菌試験、急性毒
性試験、発熱性物質試験、溶血性試験、皮膚内反
応試験を行なつたところ、いずれの試験において
も合格であつた。 比較例 １ 実施例における第３図の比較電極の代りに第３
図の銀−塩化銀線２２とエポキシ樹脂２３のみか
らなるもの（中空糸をつけない）を作り、これと
第４図のPHセンサとを実施例と同じシリコーンダ
ブルルーメンに埋め込み、第５図のような複合PH
電極を作成した。その後比較電極の内部にPVA
中空糸の代りに、５重量％のポリビニルアルコー
ルと0.5重量％のチタンアセチルアセトネートを
含む水溶液を注入し室温下16時間放置してゲル化
させた。 このようにして得られた複合PH電極を用いて実
施例１に記述の〜の溶液のPHを測定した結果
を表１にまとめた。この結果から明らかなように
PVAゲルを比較電極の内部液とする複合PHセン
サは、NaClを含む溶液に対してはほぼ正確なPH
値を与えるが、NaClを含まない溶液に対しては
0.10PH以上の誤差を与える。またホウ酸塩を含む
溶液（，）ではNaClの有無にかゝわらず大
きな測定誤差を生じる。該複合PH電極を空気中に
10分間放置し、比較電極の内部液の水分を故意に
蒸発させたところゲルが収縮し、比較電極内に空
隙部が発生するのが確認された。このPH電極を用
いて実施例１に記した溶液のPHを測定したとこ
ろ、表示PH値が6.4から6.9の間でフラついた。 比較例 ２ 実施例１における多孔性中空糸として外径0.3
mm、内径0.05mm、細孔容積0.16c.c.／ｇのポリビニ
ルアルコール系多孔性中空糸を用いて、実施例１
と同じようにして複合PH電極を作成した。該複合
PH電極を用いて溶液のPHの測定を試みたところ
表示PH値が6.6から6.8の間でフラついた。 【表】

【図面の簡単な説明】

第１図は電極としてISFETを用いた化学物質
感応センサーと液絡式比較電極からなる化学物質
測定装置により被測定液の化学物質量を測定する
電気回路図である。第２図は本発明の化学物質測
定用装置の断面図である。第３図及び第４図は本
発明に用いる比較電極とセンサーの断面図であ
る。第５図は第３図及び第４図の比較電極とセン
サーをダブルルーメンカテーテルに収容した化学
物質測定装置の断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被測定液中の化学物質量を測定する化学物質
   測定用装置において、該化学物質測定用装置は、
   独立した少くとも２つの空胴を有する管状体と、
   該管状体の一つの空胴内に、該管状体の端部から
   化学物質測定領域を突出させて収容した特定の化
   学物質に選択的に感応する電極と、該電極に一端
   を接続して他端が空胴に沿つて延在され、そして
   管状体の他端開口でコネクタに連結されたリード
   線と、少くとも該電極のリード線接続部に充填さ
   れて空胴を閉塞する電気絶縁樹脂からなる化学物
   質感応センサーと、該管状体の他の一つの空胴の
   先端部に収容された細孔容積が0.2c.c.／ｇ以上で、
   かつ少くとも表面が親水性を有する多孔性の糸状
   体と、一端が該糸状体を接触するように該空胴内
   に収容され、そして空胴に沿つて延在させて空胴
   の他端開口でコネクタに連結された銀−塩化銀線
   と、該空胴内の少くとも先端部に充填されて銀−
   塩化銀線と糸状体を接触固定するとともに該空胴
   を閉塞する電気絶縁樹脂と、多孔性の糸状体に吸
   引保持された内部液からなる液絡式の比較電極で
   構成したことを特徴とする化学物質測定用装置。 ２ 特定の化学物質に選択的に感応する電極が、
   センサーゲートをもつイオン感応性電界効果トラ
   ンジスタである特許請求の範囲第１項記載の装
   置。 ３ 特定の化学物質に選択的に感応する電極が、
   異なる化学物質に選択的に感応する複数のセンサ
   ーゲートをもつイオン感応性電界効果トランジス
   タである特許請求の範囲第１項記載の装置。 ４ 異なる化学物質に選択的に感応する複数の電
   極が、管状体に設けられた各空胴の一つにそれぞ
   れ収容されてなる特許請求の範囲第１項記載の装
   置。 ５ 多孔性の糸状体が親水性高分子よりなる糸状
   体である特許請求の範囲第１項記載の装置。 ６ 多孔性の糸状体が中空繊維であつて、該中空
   繊維の中空部に銀−塩化銀線の先端部が挿入固定
   されてなる特許請求の範囲第１項記載の装置。 ７ 多孔性の中空繊維が、その膜厚10〜500μで
   あつて、横断面に平均孔径0.02〜2μの微細孔が実
   質的に均一に配列されている中空繊維である特許
   請求の範囲第１項記載の装置。